편파(파)

편파(편파도)는 ^{[1][2][3][4][5]}진동의 기하학적 방향을 지정하는 횡파에 적용되는 특성입니다.횡파에서 진동 방향은 ^[4]파동의 운동 방향과 수직이다.편광 횡파의 간단한 예로는 팽팽한 줄을 따라 이동하는 진동(이미지 참조)이 있습니다. 예를 들어 기타 현과 같은 악기입니다.현이 어떻게 뽑히느냐에 따라 진동이 수직 방향, 수평 방향 또는 현에 수직인 임의의 각도로 발생할 수 있습니다.반면 액체나 기체 중 음파 등 종파에서는 진동 내 입자의 변위는 항상 전파방향이기 때문에 편파 현상이 나타나지 않는다.편파 현상을 보이는 가로파에는 빛과 전파 등 전자파, 중력파,^[6] 고체 중의 가로음파(전단파) 등이 있다.

빛과 같은 전자파는 항상 서로 수직인 결합된 진동 전계와 자기장으로 구성되어 있으며, 관례상 전자파의 "편파"는 전계의 방향을 말한다.선형 편파에서는 필드가 단방향으로 진동합니다.원형 또는 타원 편광에서는 파형이 이동할 때 평면에서 필드가 일정한 속도로 회전합니다.회전에는 두 가지 방향이 있을 수 있습니다. 파동 이동 방향에 대해 필드가 우측으로 회전하는 경우 우측 원형 편파라고 하며, 필드가 좌측으로 회전하는 경우 좌측 원형 편파라고 합니다.

태양, 불꽃, 백열등과 같은 많은 광원으로부터의 빛이나 다른 전자기 방사선은 편광의 동일한 혼합을 가진 단파열로 구성되어 있다. 이것은 편광되지 않은 빛이라고 불린다.편광은 편광자를 통해 비편광의 통과를 통해 생성될 수 있으며, 편광자는 편광자가 하나만 통과할 수 있습니다.가장 일반적인 광학 재료는 빛의 편광에 영향을 미치지 않지만 복굴절, 이색성 또는 광학 활동을 보이는 재료는 편광에 따라 다르게 빛에 영향을 미칩니다.이 중 일부는 편광 필터를 만드는 데 사용됩니다.빛은 또한 표면에서 비스듬히 반사될 때 부분적으로 편광됩니다.

양자역학에 따르면 전자파는 광자라고 불리는 입자의 흐름으로도 볼 수 있다.이렇게 볼 때, 전자파의 편광은 ^[7][8]스핀이라고 불리는 광자의 양자 역학적 특성에 의해 결정됩니다.광자는 두 가지 가능한 스핀 중 하나를 가지고 있다: 광자는 이동 방향에 대해 오른손 감각 또는 왼손 감각으로 회전할 수 있다.원편광 전자파는 오른쪽 또는 왼쪽의 한 가지 유형의 스핀만을 가진 광자로 구성됩니다.직선 편파는 좌우 원편광 상태의 중첩 위치에 있는 광자로 구성되며,^[8] 평면에서 진동을 주기 위해 동일한 진폭과 위상이 동기화됩니다.

편광은 광학, 지진학, 전파, 마이크로파 등 횡파를 다루는 과학 분야에서 중요한 변수이다.특히 영향을 받는 것은 레이저, 무선 및 광섬유 통신, 레이더 등의 테크놀로지입니다.

서론

파동 전파 및 편파

대부분의 광원은 공간 특성, 주파수(파장), 위상 및 편광 상태가 다른 임의 혼합 파장으로 구성되기 때문에 일관성이 없고 편광되지 않은(또는 "부분 편광"만) 것으로 분류됩니다.단, 전자파와 편파를 이해하기 위해서는 간섭성 평면파를 고려하는 것이 더 쉽습니다.이것은 특정 방향(또는 파벡터), 주파수, 위상 및 편파 상태의 사인파입니다.특정 공간구조를 가진 파형은 평면파(이른바 각도 스펙트럼)의 조합으로 분해될 수 있기 때문에 평면파에 관한 광학계의 특성화를 사용하여 보다 일반적인 경우에 대한 응답을 예측할 수 있다.비일관성 상태는 주파수(스펙트럼), 위상 및 편광의 분포와 상관없는 파형의 가중 조합으로 확률적으로 모델링할 수 있다.

가로 전자파

자유 공간 또는 다른 균질 등방성 비감쇠 매체를 이동하는 전자파(예를 들어 빛)는 횡파로 적절하게 설명되며, 이는 평면파의 전계 벡터 E와 자기장 H가 각각 파동 전파 방향에 수직(또는 "횡")인(또는 "횡") 방향임을 의미한다. E와 H는 파동 전파 방향이다.lso는 서로 수직이다.관례상 전자파의 '편파' 방향은 그 전계 벡터에 의해 주어진다.광주파수 f의 단색 평면파(진공파장 θ의 빛은 f = c/colm, 여기서 c는 빛의 속도)를 고려하여 전파 방향을 z축으로 한다.E_z = H_z = 0. 복잡한(또는 단계적) 표기법을 사용하여 순간 물리 전기장과 자기장은 다음 방정식에서 발생하는 복잡한 양의 실제 부분에 의해 주어진다.시간 t 및 공간 위치 z의 함수로서(+z 방향의 평면파의 경우 필드가 x 또는 y에 의존하지 않으므로) 이러한 복잡한 필드는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

${\displaystyle {E}(z,t)=begin{bmatrix}e_{x}\e_{y}\\\end{bmatrix}\;e^{i2\pi\leftfrac{z}{\frac{z}}}-{\frac{t}}}T}}\right)}=(begin{bmatrix}e_{x}\e_{y}\\0\end{bmatrix}\;e^{i(kz-\Omega t)})}$

그리고.

$\displaystyle {H}(z,t)=begin{bmatrix}h_{x}\h_{y}\\end{bmatrix}\;e^{i2\pi\leftfrac{z}{\frac}}-{\frac{t}{t}}T}}\right)}=begin{bmatrix}h_{x}\h_{y}\0\end{bmatrix}\;e^{i(kz-\Omega t)}}$

여기서 δ = δ₀/n은 매질 내의 파장(굴절률은 n), T = 1/f는 파동의 주기이다.여기서_x e, e_y, h_x, h는_y 복소수입니다.보다 콤팩트한 두 번째 형태에서는 이들 방정식이 관습적으로 표현될 때, 이러한 인자는 파수 $k{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle \mathrm{\mu n}}$/ ${\displaystyle {\delta \mathrm{}}_{}}$0 {{$displaystyle$ k$= 2\pi$ n$/\displayda$ _${0}}$ 및 각 주파수(또는 "라디안 주파수") ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle \mu }$ f {$displaystyle\ope = 2\pi$ f$\}$를 사용하여 보다 일반적인 전파를 사용하여 설명된다.+z 방향으로 이동하면 공간 의존성 kz가 k ${\displaystyle \to }$ ${\displaystyle r\stackrel{}{}}$ $→$ {$displaystyle {k}\cdvec {r}$ot$$ {r}로 $대체$됩니다. $여기$서 k $→$ {\$displaystyle${k}}은$$ 파동 벡터(\displaystyle {$vec {k})$라고 하며, 그 크기는 파동 벡터입니다.

따라서 선행 벡터 e와 h는 각각 파형의 x 및 y 편파 성분의 진폭과 위상을 설명하는 최대 2개의 0이 아닌(복잡한) 성분을 포함합니다(또한 +z 방향의 횡파에 대한 z 편파 성분은 존재할 수 없습니다).특성 임피던스$\theta {\displaystyle }$ {\$displaystyle \eta$를 갖는 특정 매체에 대해 h는 다음과 같이 e와 관련됩니다.

${\displaystyle h_{y}=hargfrac {e_{x}}{\eta }}$

그리고.

${\displaystyle h_{}}$ x $=$ - ${\displaystyle \frac{e_{}}{}}$ y$$ {\{$style h_{x$}=-{\$frac {e_{y}}{\eta$

유전체에서 θ는 실재하고 값 θ₀/n을 가진다.여기서 n은 굴절률, θ는₀ 자유공간의 임피던스이다.전도 매체에서는 임피던스가 복잡해집니다.^{[clarification needed]}이 관계를 고려할 때 E와 H의 도트곱은 ^{[dubious – discuss]}0이어야 합니다.

${\displaystyle {E}\left({\vec {r}}, t\right)\cdot {vec {H}}\left({\vec {r}, t\right)=e_{x}h_{x}+e_{y}}h_{y}+e_{z}h_{z}=e_{x}\leftfrac{e_{y}}{\right}+e_{y}\leftfrac{e_{x}}{\right}+0\cdot0}$

이러한 벡터가 예상대로 직교(서로 직각)임을 나타냅니다.

따라서 전파 방향(+z)과 θ를 알면 전계를 나타내는 e와_x e로_y 파형을 지정할 수 있습니다.e와_y e를 포함하는_x 벡터(단, 가로파의 경우 반드시 0인 z 성분이 없음)를 존스 벡터라고 합니다.파형의 편광 상태를 지정하는 것 외에 일반 Jones 벡터는 파형의 전체 규모와 위상을 규정합니다.특히 광파의 세기는 두 가지 전계 구성요소의 크기 제곱합에 비례합니다.

${\displaystyle I=\left(\left e_{x}\right ^{2}+\left e_{y}\right ^{2}\frac {1}{2\eta }}}$

그러나 파형의 편광 상태는 e 대 e의_yx (복잡한) 비율에만 의존합니다.따라서_y e + e = 1인 파형을_x 생각해 보겠습니다. 이는 빈 $공간{\displaystyle }$( ( $=$ \$displaystyle \eta =$ } ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$\$displaystyle \eta$ _${0})$에서 평방미터당 약 .00133와트의 강도에 해당합니다.그리고 편광 상태를 논할 때 파형의 절대 위상은 중요하지 않으므로 e의_x 위상은 0, 즉_x e는 실수이고_y e는 복잡할 수 있다고 하자.이러한 제한 하에서 e와_y e는 다음과_x 같이 나타낼 수 있습니다.

$({displaystyle e_{x}={frac {1+Q}{2}})$

${displaystyle e_{y}={frac {1-Q}{2}}, e^{i\phi }}$

여기서 편광 상태는 Q 값(-1 < Q < 1) 및 상대 위상$${\(\$displaystyle \phi$에 의해 완전히 파라미터화 됩니다.

비횡파

진동은 전파방향에 수직인 방향으로 한정되지 않는 파동도 많다.이러한 사례는 가로파(벌크 미디어의 대부분의 전자파 등)에 초점을 맞춘 현재 기사의 범위를 훨씬 벗어나지만, 방금 한 것처럼 Jones 벡터를 사용하여 간섭파의 편파를 간단히 설명할 수 없는 경우에 유의해야 한다.

전자파를 고려하면 앞에서 설명한 내용은 균일한 등방성 비감쇠 매체의 평면파에 엄격하게 적용되는 반면, 비등방성 매체의 경우(아래에서 설명한 복굴절 결정 등) 전기장 또는 자기장은 종방향 및 횡방향 구성요소를 가질 수 있다.이 경우 전기변위 D 및 자속밀도^{[clarification needed]} B는 여전히 상기 형상을 따르지만 현재 텐서에 의해 주어진 전기자화율(또는 자기투과율)의 이방성 때문에 E(또는 H)의 방향이 D(또는 B)의 방향과 다를 수 있다.등방성 매체에서도 굴절률이 ^{[clarification needed]}금속과 같은 유의한 가상 부분(또는 "소멸 계수")을 가진 매체에 소위 비균질파가 발사될 수 있다. 이러한 장은 엄밀하게 ^{[9]: 179–184 [10]: 51–52} 횡단되지도 않는다.도파관(광섬유 등)에서 전파되는 표면파 또는 파형은 일반적으로 횡파가 아니라 전기 또는 자기 횡파 모드 또는 하이브리드 모드라고 할 수 있습니다.

빈 공간에서도 평면파 근사가 파괴되는 초점 영역에서 종계 성분을 발생시킬 수 있다.극단적인 예는 각각 전기장 또는 자기장이 (전파 ^[11]방향을 따라) 완전히 세로인 방사 또는 접선 편광이다.

유체중의 음파등의 종파의 경우, 진동의 방향은 당연히 진행 방향을 따르는 것이기 때문에, 편광의 문제는 통상은 언급조차 되지 않는다.한편, 벌크 고체 내의 음파는 총 3개의 편파 성분으로 종방향뿐만 아니라 횡방향도 가능하다.이 때 횡편파는 전단응력 및 전파방향과 수직방향으로의 변위방향과 관련지어지며, 종편파는 고체의 압축과 전파방향에 따른 진동을 나타낸다.지진학에서는 가로편광과 세로편광의 차분포가 중요하다.

편광 상태

편광은 처음에는 순수한 편광 상태와 일부 광학 주파수에서 일관된 사인파만 고려함으로써 가장 잘 이해할 수 있습니다.인접 다이어그램의 벡터는 단일 모드 레이저에서 방출되는 전계의 발진을 설명할 수 있습니다(발진 주파수는 일반적으로¹⁵ 10배 빠릅니다).필드는 페이지를 따라 x-y 평면에서 진동하며 파형은 페이지에 수직인 z 방향으로 전파됩니다.아래의 처음 두 그림은 두 가지 다른 방향에서 선형 편광을 위해 전체 사이클에 걸쳐 전계 벡터를 추적합니다. 이들은 각각 다른 편광 상태(SOP)로 간주됩니다.45°에서의 선형 편파는 수평 직선 편파(맨 왼쪽 그림처럼)와 같은 위상에서의 수직 편파의 추가로도 볼 수 있습니다.

이러한 수평 편광 성분과 수직 편광 성분 사이에 위상 변화를 도입하면 세 번째 그림과 같이 일반적으로 타원 편광을^[12] 얻을 수 있습니다.위상 편차가 정확히 ±90°이면 원형 편파가 발생합니다(4번째 및 5번째 그림).따라서 실제로는 선형 편광에서 시작하여 1/4파 플레이트를 사용하여 위상 편광을 도입하는 원형 편광입니다.두 개의 위상 편이 성분이 회전 전계 벡터를 발생시킨 결과는 오른쪽 애니메이션에 나와 있습니다.원형 또는 타원 편광은 필드의 시계 방향 또는 시계 반대 방향 회전을 수반할 수 있습니다.이는 위의 두 원형 편광과 같은 뚜렷한 편광 상태에 해당합니다.

물론 이 설명에서 사용되는 x축과 y축의 방향은 임의입니다.이러한 좌표계를 선택하고 편광 타원을 x 및 y 편광 성분으로 보는 것은 이러한 기저 편광의 관점에서 Jones 벡터의 정의에 해당합니다.일반적으로 x가 입사 평면에 있는 것과 같은 특정 문제에 적합하도록 축을 선택합니다.입사 평면(p 및 s 편파, 아래 참조)과 직교하는 선형 편파에는 별도의 반사 계수가 있기 때문에 이 선택은 표면으로부터의 파동 반사의 계산을 크게 단순화합니다.

또한, 기본 함수로 선형 편광뿐만 아니라 직교 편광 상태의 모든 쌍을 사용할 수 있습니다.예를 들어, 오른쪽과 왼쪽의 원형 편광을 기저 함수로 선택하면 원형 복굴절(광학적 활동) 또는 원형 이색성과 관련된 문제의 해법을 단순화할 수 있다.

편광 타원

순수하게 편광된 단색파를 생각해 봅시다.만약 한 진동 사이클에 걸쳐 전계 벡터를 플롯한다면, 일반적으로 타원 편광의 특정 상태에 해당하는 타원을 얻을 수 있을 것이다.선형 편광과 원형 편광은 타원 편광의 특수한 경우로 볼 수 있습니다.

편광 상태는 타원의 기하학적 파라미터와 그 "핸드니스" 즉, 타원을 중심으로 한 회전이 시계방향인지 반시계방향인지에 대해 기술할 수 있다.타원도형의 파라미터화 중 하나는 타원률 θ = a/b와 함께 타원장축과 X축^[13] 사이의 각도로 정의되는 방향각 θ를 타원장축과 ^[14][15][16]단축의 비율로 규정한다.(축 비라고도 함)타원의 별남 e의 타원율 변수는 대안적인 parameterization=1− b2/2,{\textstyle e={\sqrt{1-b^{2}{2}}},}또는 타원 모양 각도,χ)arctan ⁡ b/{\textstyle\chi=\arctan b/a})arctan ⁡ 1/ε{\textstyle 1/\varepsilon=\arctan}은 그림에 나타나 있다.[13]각도 θ는 또한 푸앵카레 구(아래 참조)에 표시된 편광 상태의 위도(적도로부터의 각도)가 ±2µ와 동일하다는 점에서 유의하다.선형편광과 원형편광의 특수한 경우는 무한대 및 일체성의 타원성 θ(0과 45°의 θ)에 해당한다.각각 다음과 같다.

존스 벡터

완전 편광 상태에 대한 완전한 정보는 편광면 내 전계 벡터의 2개 성분에서의 진동 진폭과 위상에 의해서도 제공된다.이 표현은 편광의 다른 상태가 어떻게 가능한지를 보여주기 위해 위에서 사용되었습니다.진폭 및 위상 정보는 2차원 복소 벡터(Jones 벡터)로 편리하게 나타낼 수 있습니다.

${\displaystyle \mathbf {e} = param{bmatrix}a_{1}e^{i\theta_{2}e^{i\theta_{2}}\end{bmatrix}}}.}$

$여기$서 1$(\$ a_${1})$과 2$(\$는 전계 벡터의 2개 성분에서 파형의 진폭을 나타내고 ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ 1$(\$ _${1$})과$$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$2(\$displaystyle \theta$ _${2})$는 위상을 나타냅니다.단위계수가 복소수인 존스 벡터의 곱은 같은 타원을 나타내는 다른 존스 벡터를 제공하므로 편광 상태가 같다.물리 전장은 존스 벡터의 실제 부분으로서 변화하지만 편광 상태 자체는 절대 위상과는 독립적입니다.존스 벡터를 나타내기 위해 사용되는 기저 벡터는 선형 편광 상태를 나타낼 필요가 없다(즉, 실재한다).일반적으로 직교 벡터 쌍이 0의 내적을 갖는 것으로 정식으로 정의되는 2개의 직교 상태를 사용할 수 있다.일반적인 선택은 좌우 원형 편파이다. 예를 들어 원형 복굴절 매체(아래 참조) 또는 원형 편파에 민감한 간섭성 검출기의 신호 경로에서 이러한 두 가지 구성요소의 파동 전파를 모델링하는 것이다.

좌표 프레임

편광 상태가 기하학적 파라미터와 존스 벡터를 사용하여 표현되든 상관없이 파라미터화에서 암묵적으로 나타나는 것은 좌표 프레임의 방향이다.이것은 어느 정도의 자유도, 즉 전파 방향에 대한 회전을 가능하게 한다.지구 표면과 평행하게 전파되는 빛을 고려할 때, "수평"과 "수직" 편광이라는 용어가 종종 사용되며, 전자는 존스 벡터의 첫 번째 성분, 즉 0 방위각과 관련이 있습니다.한편, 천문학에서는 적도 좌표계가 일반적으로 사용되며, 정북에 대응하는 제로 방위각(또는 수평 좌표계와 혼동을 피하기 위해 천문학에서 더 일반적으로 부르는 위치 각도)이 사용됩니다.

s 및 p 지정

자주 사용되는 또 �